一種5G上行鏈路增強(qiáng)技術(shù)解決方案

曹磊　趙曄　熊尚坤　許森　魏垚

【摘? 要】新業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)5G上行速率和時(shí)延提出更高要求，結(jié)合全球5G頻率使用情況，分析了高/低頻段、TDD/FDD雙工在5G上行容量、覆蓋和時(shí)延性能方面的特性，在上行CA和SUL的基礎(chǔ)上，提出一種TDD/FDD協(xié)同、高低頻互補(bǔ)和時(shí)頻域聚合的5G上行增強(qiáng)解決方案，具有更優(yōu)的上行性能，最后給出了標(biāo)準(zhǔn)化方向的建議。

【關(guān)鍵詞】上行增強(qiáng)技術(shù);上行載波聚合;上行輔助鏈路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.005? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0024-04

引用格式：曹磊，趙曄，熊尚坤，等. 一種5G上行鏈路增強(qiáng)技術(shù)解決方案[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 24-27.

5G Uplink Enhancement Solution Based on TDD/FDD Coordination

CAO Lei1， ZHAO Ye1， XIONG Shangkun2， XU Sen2， WEI Yao2

（1. 5G Innovation Center of China Telecom， Beijing 100033， China;

2. Intelligent Network and Terminal Research Institute of China Telecom， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]

The emerging application development raises higher requirements for 5G uplink rate and delay. Based on global spectrum usage of 5G， this paper analyzes the characteristics of high/low frequency band， TDD/FDD duplex for 5G uplink capacity， coverage and delay performance. Based on uplink CA and SUL， a 5G uplink enhancement solution is proposed via TDD/FDD coordination， high and low frequency complement and time-frequency domain aggregation. The proposed solution has better uplink performance and provides suggestions to standardized direction.

[Key words]uplink enhancement; uplink CA; supplementary uplink

1? ?5G上行需求

今年世界移動(dòng)大會(huì)的主題是“智聯(lián)萬(wàn)物”，“智聯(lián)萬(wàn)物”標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的來(lái)臨，人們能夠隨時(shí)隨地獲享受高度契合時(shí)代背景的個(gè)性化體驗(yàn)。5G技術(shù)具有高速性、靈活性及敏捷性，能夠提供遠(yuǎn)比現(xiàn)在更加可靠的服務(wù)與性能，與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)深度融合，與工業(yè)制造、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)充分結(jié)合，將為信息通信、社會(huì)管理、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、文化生活等領(lǐng)域注入更多的智慧元素，成為智聯(lián)萬(wàn)物背景下網(wǎng)絡(luò)變革的使能器和社會(huì)變革的加速器。

當(dāng)前全球商用啟動(dòng)的5G網(wǎng)絡(luò)，一般處在TDD高頻段，為連續(xù)組網(wǎng)，在時(shí)隙配置上，一般以解決ToC下行為主，實(shí)現(xiàn)下行高速率傳輸。但ToC下行高速率會(huì)進(jìn)一步提高上行速率需求，隨著新興應(yīng)用的發(fā)展，如高清視頻直播、VR畫(huà)面渲染等，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)上行速率提出了更高的要求。另一方面，以遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)控制為代表的ToB行業(yè)應(yīng)用方興未艾，對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高上行速率和更低時(shí)延的需求。

2? ?不同頻段的特性分析

5G網(wǎng)絡(luò)全球首發(fā)頻段以C-Band為主[1]，C-Band系統(tǒng)制式均采用TDD雙工，上下行信道互易有利于大規(guī)模天線(xiàn)能力發(fā)揮，在實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用上具有天然優(yōu)勢(shì)。再者，結(jié)合100 MHz頻譜大帶寬優(yōu)勢(shì)，下行用戶(hù)峰值速率達(dá)到1 Gbit/s以上，可以滿(mǎn)足大部分下行業(yè)務(wù)容量需求[2]。但是，TDD對(duì)頻譜資源需按上下行分配，主流2.5 ms雙周期、2.5 ms單周期等以下行時(shí)隙為主，上行時(shí)隙占比小，上行業(yè)務(wù)速率在每秒百兆比特級(jí)別，上行相比下行，空口速率性能存在較大壓力。5G首次采用3.5 GHz甚至4.9 GHz等中高頻段，中高頻段信號(hào)傳播路損更大，穿透能力較弱，較LTE系統(tǒng)1.8 GHz或2.1 GHz頻段覆蓋效果沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。為彌補(bǔ)頻率特征帶來(lái)的覆蓋差異，5G在下行方向采用了大功率發(fā)送，但上行覆蓋仍然受終端發(fā)射功率限制（盡管5G終端發(fā)射功率增強(qiáng)一倍），成為主要瓶頸，隨著用戶(hù)向小區(qū)邊緣移動(dòng)，5G上行2天線(xiàn)和大帶寬的優(yōu)勢(shì)逐漸消失，在小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)體驗(yàn)不如FDD低頻，室內(nèi)場(chǎng)景更加明顯。

如圖1所示，相比高頻的TDD頻段，傳統(tǒng)的FDD低頻段雖然在帶寬和大規(guī)模天線(xiàn)支持能力上處于劣勢(shì)，但在時(shí)隙上行占比、時(shí)延和傳播能力上有著天然的優(yōu)勢(shì)。

如何在5G的上行增強(qiáng)技術(shù)方案中，充分發(fā)揮高頻TDD和低頻FDD各自的優(yōu)勢(shì)，形成一個(gè)綜合的解決方案，實(shí)現(xiàn)覆蓋、容量和時(shí)延等性能的全面提升的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)低成本，成為業(yè)界的一個(gè)探索方向。

3? ?現(xiàn)有5G上行增強(qiáng)解決方案分析

通過(guò)TDD和FDD融合來(lái)實(shí)現(xiàn)5G上行增強(qiáng)，最典型的方法包括上行載波聚合（CA， Carrier Aggregation）和上行輔助鏈路（SUL， Supplementary Uplink）[3]。本文后續(xù)描述的上行增強(qiáng)方案，均考慮了當(dāng)前主流終端的上行2個(gè)發(fā)射通道的設(shè)計(jì)，并以TDD頻段為3.5 GHz（時(shí)隙結(jié)構(gòu)采用2.5 ms雙周期）、FDD頻段為2.1 GHz為例。

CA是關(guān)鍵的4G增強(qiáng)技術(shù)之一，5G默認(rèn)自然繼承所有CA功能，在CA的技術(shù)框架中，支持不同頻帶間的CA，并支持TDD+FDD CA，同時(shí)，理論上只要在3GPP頻率組合允許范圍內(nèi)[1]，即可實(shí)現(xiàn)高低頻載波在TDD+FDD雙制式的并發(fā)?；贜R終端上行2個(gè)發(fā)射機(jī)的主流設(shè)計(jì)如圖2所示，目前上行CA實(shí)際只能采用3.5 G 1T+2.1 G 1T雙通道發(fā)送，如圖3所示，這種設(shè)計(jì)中，兩個(gè)頻段的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，一些頻段組合存在著一定的互調(diào)干擾以及功率回退等問(wèn)題，從而影響了上行性能。同時(shí)，在近點(diǎn)，無(wú)法在3.5 G 2T發(fā)送實(shí)現(xiàn)上行2流的優(yōu)勢(shì)，峰值速率性能受到明顯的約束。

如圖4所示，SUL技術(shù)是可以利用低頻FDD頻段彌補(bǔ)上行覆蓋不足的技術(shù)[4]，通過(guò)上下行頻率解耦，充分利用低頻頻譜傳播優(yōu)勢(shì)提升邊緣覆蓋速率和用戶(hù)體驗(yàn)。在SUL中，上行輔助鏈路和上行非輔助載波不會(huì)被同時(shí)調(diào)度發(fā)送，終端在2.1 G載波作為輔助載波，僅在3.5 G上行發(fā)射功率受限時(shí)（如遠(yuǎn)點(diǎn)）按100%時(shí)隙發(fā)送，或在近點(diǎn)與3.5 GHz上行TDM才會(huì)被調(diào)度發(fā)送。因此，SUL技術(shù)的增益一般在遠(yuǎn)點(diǎn)獲得覆蓋增益，在近點(diǎn)，雖然與2.1 GHz輔助載波TDM上行發(fā)送來(lái)獲得一定上行增益，但同樣損失了3.5 GHz 2T實(shí)現(xiàn)2流發(fā)送的性能。

總之，現(xiàn)在的上行CA和SUL協(xié)議，在現(xiàn)有的終端兩個(gè)上行通道設(shè)計(jì)架構(gòu)下，均無(wú)法在大帶寬的3.5GHz實(shí)現(xiàn)上行2T發(fā)送從而獲得2流性能。

4? ?基于TDD/FDD協(xié)同、高低頻互補(bǔ)、

時(shí)域/頻域聚合的上行增強(qiáng)技術(shù)方案

如圖5所示，本文提出的一種5G上行增強(qiáng)技術(shù)解決方案，采用了TDD/FDD協(xié)同、高低頻互補(bǔ)、時(shí)頻域聚合的創(chuàng)新理念，期待在近點(diǎn)獲得大帶寬的3.5 GHz TDD頻段，實(shí)現(xiàn)上行2T以獲得2流性能，同時(shí)也兼顧在上行100%的時(shí)間上獲得發(fā)送機(jī)會(huì)，以進(jìn)一步提升速率和降低時(shí)延。

如圖6所示，主要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式在于終端以TDM方式使用兩個(gè)上行載波，同一時(shí)刻僅在一個(gè)載波上發(fā)送，下行可以是單載波或者下行載波聚合。一種典型的場(chǎng)景在離基站的近點(diǎn)，終端在3.5 GHz下行工作時(shí)隙時(shí)，配置在2.1 GHz載波進(jìn)行上行傳輸，在3.5 GHz上行發(fā)射時(shí)刻僅配置終端使用3.5 GHz進(jìn)行上行2T發(fā)射獲得2流。在遠(yuǎn)點(diǎn)或室內(nèi)3.5 GHz上行發(fā)送，終端可全部時(shí)隙配置在2.1 GHz載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

表1給出了本文提出的上增強(qiáng)方案與上行CA、SUL的對(duì)比。與上行CA和SUL相比，本文提出的方案具有如下特點(diǎn)：上行在3.5 GHz大帶寬載波支持2T獲得雙流，功率可達(dá)26 dBm，同時(shí)保持CA和SUL的上行100%全時(shí)隙發(fā)送能力，可以獲得更好的用戶(hù)上行體驗(yàn)。另外，這種方案，上行同時(shí)工作的最大發(fā)射通道數(shù)仍然只有2個(gè)，關(guān)鍵的射頻通道器件基本可重用4G/5G雙模終端設(shè)計(jì)中的已有器件，只需在3.5 G的一個(gè)通道和2.1 G通道之間增加一個(gè)開(kāi)關(guān)，為實(shí)現(xiàn)時(shí)隙級(jí)的切換，終端器件成本沒(méi)有明顯增加。

5? ?關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化支持的探討

在目前3GPP的協(xié)議里，本文提出的上行增強(qiáng)技術(shù)方案標(biāo)準(zhǔn)尚未完全支持，有如下內(nèi)容需要業(yè)界聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)：

（1）1T和2T發(fā)射的切換時(shí)間：在2.1 GHz單天線(xiàn)發(fā)射和3.5 GHz雙天線(xiàn)發(fā)射的轉(zhuǎn)換時(shí)刻終端需要進(jìn)行相關(guān)硬件準(zhǔn)備，因此存在一個(gè)短暫的切換時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)中需要研究由哪個(gè)載波、哪個(gè)信道來(lái)出切換時(shí)間以及具體的切換時(shí)間長(zhǎng)度，用于明確終端的相應(yīng)行為。

（2）定義TDD和FDD雙載波間的TDM切換方式：需要研究是采用L3靜態(tài)TDD/FDD間的TDM切換方式[5]，還是基于DCI的TDD/FDD間的切換方式[6]，或者是基于L3和L1相結(jié)合的TDD/FDD間的切換方式。

（3）上下行主載波的綁定關(guān)系：為了減少上下行移動(dòng)性策略對(duì)于下行主載波的選擇影響，因此需要支持當(dāng)采用NR作為下行主載波時(shí)，上行依然可以利用LTE作為上行反饋的要求。

6? ?結(jié)束語(yǔ)

在上行CA和SUL的基礎(chǔ)上，本文提出一種TDD/FDD協(xié)同、高低頻互補(bǔ)、時(shí)頻域聚合的5G上行增強(qiáng)技術(shù)解決方案，它在容量、覆蓋和時(shí)延等方面有全面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，終端產(chǎn)品器件成本沒(méi)有明顯增加，有助于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和普及。然而，方案作為一種新型的技術(shù)創(chuàng)新，在3GPP現(xiàn)有的框架下，仍需要大量的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。5G網(wǎng)絡(luò)上行能力增強(qiáng)是國(guó)內(nèi)乃至全球運(yùn)營(yíng)商的共同需求，5G上行增強(qiáng)技術(shù)方案需聚集產(chǎn)業(yè)鏈多方力量共同推動(dòng)，共同探索。

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